Cytoskeleton i Ruch Komórkowy: Jak Komórki Poruszają Się

Trzy systemy włókienniczych, jedna poruszająca się komórka

Szkielet cytoplazmatyczny zbudowany jest z trzech systemów włókienniczych – mikroćwierkulin aktynowych, mikrotubul i włókien średniej grubości – ale niemal w całości napędzane jest ono przez pierwszy. Na brzegu prowadzącym, gęsta sieć cwierkulin aktynowych polimerizuje się i popycha błonę do przodu jako szeroka lamellopodia lub cienkie, paliczaste filopodie; na brzegu odwodzącym, silokiny kurczą sieć i ciągną za nią tył; wiązania z podłożem bazowym cyklicznie przechodzą między chwytaniem a uwalnianiem w trakcie. Ten sam podstawowy silnik napędza komórki odpornościowe goniące infekcję, komórki naskórka zamykające ranę, i – mniej pomocnie – komórki nowotworowe rozprzestrzeniające się po ciele.

Treadmiling włókien aktynowych: polimeryzacja do przodu

Włókna aktynowe są polarnie orientowane: szybki wzrost zachodzi na końcówce 'szczotkowanej', a powolne kurczenie się obserwuje na końcówce 'ostrej'. Monomery aktynu związane z ATP preferencyjnie dodawane są do końcówki 'szczotkowanej', podczas gdy po uwiązaniu ATP stopniowo jest rozkładane do ADP w ciągu kilku sekund, a podjednostki ADP-aktywna preferencyjnie oddzielają się od końcówki 'ostrej'. W warunkach równowagi tego procesu powstaje ruch 'treadmilling', czyli stała długość włókna utrzymuje się pomimo ciągłego przepływu jednostek podjednostkowych z końcówki 'szczotkowanej' do końcówki 'ostrej'.

barbed (+) end:   fast ATP-actin addition (growth)
                  ↓ ATP hydrolysis inside the filament, over seconds
pointed (-) end:  ADP-actin dissociation (net loss)

net effect: roughly constant filament length, but a steady monomer flux from + to -

Brownowski mechanizm piły: jak miękka polimeryzacja popycha błonę

Poszczególny filament aktynowy jest zbyt cienki i elastyczny, aby przesunąć błonę do przodu w sposób, w jaki robiłby to sztywny pręt. Model brownowskiego mechanizmu piły, oparty na badaniach Peskina, Odella i Ostersa z 1993 roku, wyjaśnia mechanizm wystawienia się inaczej: termiczne fluktuacje zarówno błony, jak i wierzchołka filamentu tymczasowo otwierają szczelinę szerokość około długości jednego monomeru, czyli około 2,7 nanometra, umożliwiając włożenie nowego podjednostki aktynowej. Po włożeniu filament jest nieco dłuższy, a błona już nie może cofać się tak daleko jak wcześniej. Suma netto wystawienia się powstaje z ogromnej liczby tych małych, stochastycznych zdarzeń wkładania, a nie z jednego ciągłego pchnięcia.

Rozgałęzienia sieci: Arp2/3 i dendryczny układ

Na przednim brzegu lamellipodu, kompleks Arp2/3 – aktywowany przez białka WASP i rodziny WAVE pod wpływem sygnałów Rac i Cdc42 – inicjuje nowe gałęzie aktyny wychodzące z istniejących włókien pod kątem około 70 stopni, tworząc gęstą, drzewiastą siatkę dendryczną zamiast skupiska izolowanych włókien. Rozprowadzanie siły wywrotnej na tysiącach końcówek włókien jednocześnie pozwala przedłużeniu się przedniego brzegu jako szeroki, spójny arkusz zamiast pojedynczego iglica; cienkie, niespotykane gałęziami, skupione włókna budowane przez forminy tworzą filopodia – palcowe, sensoryczne wypustki badające teren przed główną linią.

Kontrakcja i siła tarcia: mięznozy II i adhezje punktowe

Na tylnej stronie komórki oraz wzdłuż włókien stresowych, białka motorowe mięznozy II poruszają się po włóknach aktynowych, wykorzystując energię uzyskaną z hydrolizy ATP, generując siłę skurczową, która ciągnie za sobą tylną krawędź i pomaga w rozkładaniu adhezji utrzymujących ją.

Jednocześnie, na przedniej stronie, nowo utworzone adhezje punktowe oparte na integrinach tymczasowo przywierają do podłoża – bez tej siły tarcia, sieć aktynowa, która napędza ruch, po prostu uległaby zdeformowaniu na miejscu zamiast przemieszczać całe ciało komórkowe.

Sterowanie ruchami: gradienty i sygnały

Ruch kierunkowy, czyli chemotaksja, wynika z przestrzennych gradientów chemoatrakcjanta wykrywanych przez powierzchniowe receptory. Strona komórki skierowana w stronę wyższego stężenia silniej aktywuje sygnały Rac, Cdc42 i PI3K, co wpływa na to, gdzie zachodzą procesy rozgałęziania i wystawienia się napędzane przez Arp2/3 oraz skutecznie steruje ogólną polimeryzacją – a tym samym ruchem netto – wzdłuż gradientu. Ten związek między sygnałem chemicznym a mechaniką cytoszkieletu pozwala komórce odporczym na precyzyjne lokalizowanie miejsca infekcji lub neuronowemu wachlowi nerwowemu na znalezienie celu.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Cytoskeleton and Cell Motility i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.